^*이 보도자료는 미래창조과학부에서 배포됐습니다. 

^* on/off ratio : 반도체 소자에 흐르는 전류량의 비. 점멸비가 높을수록 반도체에 흐르는 전류의 양을 효과적으로 제어할 수 있어서 우수한 성능의 반도체 구현 가능 

^* 논문명 : Nitrogenated Holey Two-Dimensional Structures

^* 띠 간격(band gap): 전자가 존재할 수 없는 영역. 물질에 띠 간격이 없으면 금속성을 지니며, 띠 간격이 매우 넓으면 전류가 통하지 않는 절연체의 성질을 지님. 반도체 소자는 띠 간격이 적절히 있어야 전류가 흐르는 것을 통제할 수 있음.

^* 주사터널링현미경(STM): 전자의 앙자역학적 터널링의 원리를 이용하여 물질 표면의 원자 수준까지 이미지를 얻을 수 있는 장비.

[붙임] 연구결과 개요

연구배경

현재 반도체 재료로 사용되고 있는 실리콘은 고집적화를 통해 성능개선을 향상시켜왔으나, 공정이 미세해질수록 성능의 한계에 부딪혀왔다. 실리콘의 한계를 극복하기 위해 실리콘과 비슷한 성질을 지니는(주기율표에서 같은 족에 속해있는) 탄소기반의 물질들이 주목을 받기 시작하였다. 1970년대 전도성 고분자가 발견된 이후로 탄소기반의 물질들은 반도체 소자로 꾸준한 관심을 받아왔으며, 특히 2004년 그래핀이 발견된 이래로 실리콘보다 뛰어난 고유 성질(그래핀은 현존하는 물질 중에 열과 전기가 가장 잘 통함)로 실리콘을 대체할 물질로 많은 기대감을 불러일으켰다(그림 3). 하지만 그래핀은 띠 간격(band gap)이 없어 금속성을 지니기 때문에 전기적 신호에 의해 전류의 흐름을 통제할 수 없으며, 이러한 성질은 반도체로 응용되기에는 치명적 결함이 된다.

연구내용

본 연구팀은 그래핀이 지니고 있는 단점인 금속성을 보완하기 위해 탄소와 질소로 구성된 새로운 이차원 구조체를 합성하였으며, 이를“C2N Holey Two-Dimensional(C2N-h2D) Crystals”로 명명하였다. 이 구조체는 그래핀과는 달리 규칙적으로 구멍이 뚫려 있고, 각 구멍에 6개의 질소원소가 구멍의 중심을 향해 있는 구조를 하고 있다(그림 4). 또한 이러한 구조체가 실존한다는 것을 주사터널링현미경(STM)을 이용하여 증명하였다(그림 1).

이 구조체는 일정 간격의 구멍과 탄소 외의 또 다른 이종원소(질소)로 인해 그래핀과는 달리 띠간격이 존재하며 간격의 크기는 2.0 eV이다. 또한 점멸비(on/off ratio)가 최고 107까지 구현된다. 지난 40년간 최적화 시켜온 실리콘 반도체의 점멸비가 105인 점을 감안하면, 반도체로서 스위칭 속도가 이미 100배를 능가하고 있다.

기대효과

현재 실리콘을 기반으로 하는 반도체 분야의 성능향상은 한계점에 다다랐다. 본 연구는 현존하는 반도체 소재의 데이터처리 속도의 한계를 극복함은 물론, ‘꿈의 물질’로 불리는 그래핀의 치명적인 결함을 극복할 수 있는 신물질이다. 다양한 응용분야에서 그래핀의 한계를 극복함은 물론, 그래핀보다 훨씬 많은 응용분야가 예상되어 꿈이 현실로 나타날 만한 성과로 여겨진다.

[붙임] 연구결과 문답

Q. 이번 성과 뭐가 다른가?

A. 그래핀의 한계를 넘을 수 있는 신물질

Q. 어디에 쓸 수 있나?

A. 반도체 소재, 에너지 변환 및 저장소재, 촉매, 바이오 분야

Q. 실용화까지 필요한 시간은?

A. 3~5년

Q. 실용화를 위한 과제는?

A. 다양한 유도체를 합성하여 각기 특성에 맞는 응용분야 발굴

Q. 연구를 시작한 계기는?

A. 5년 전 그래핀의 가장 중요한 한계를 인식하여, 그래핀의 문제점을 해결하고자 화학반응으로 새로운 구조체 합성시작

Q. 에피소드가 있다면?

A. 그래핀 연구자라면 누구나 같은 생각을 했을 것으로 생각되나, 순수한 출발물질 합성은 우리 연구단이 잘 할 수 있는 장점이 있음

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

A. 2010년 노벨상을 받은 그래핀을 능가하는 구조체를 함성하여 학계 및 산업계에서도 주목 받는 연구집단으로 성장

Q. 신진연구자를 위한 한 마디

A. 자신감, 열정, 성실이 좋은 연구의 바탕

[붙임] 용어설명

NATURE COMMUNICATIONS 誌

자연과학 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 네이처(NATURE)의 자매지로 자연과학전문지 (인용지수: 10.742)

띠 간격(band gap)

전자가 존재할 수 없는 영역. 물질에 띠 간격이 없으면 금속성을 지니며, 띠 간격이 매우 넓으면 전류가 통하지 않는 절연체의 성질을 지님. 반도체 소자는 띠 간격이 적당해야 전류가 흐르는 것을 통제할 수 있음.

점멸비(on/off ratio)

반도체 소자에 흐르는 전류량의 비. 점멸비가 높을수록 반도체에 흐르는 전류의 양을 효과적으로 제어할 수 있어서 우수한 성능의 반도체를 구현할 수 있음.

주사터널링현미경(STM)

전자의 양자역학적 터널링의 원리를 이용하여 물질 표면의 원자 수준까지 이미지를 얻을 수 있는 장비.

[붙임] 그림설명